SIMOTION 的任务执行机制及系统时钟

1 SIMOTION 执行系统
SIMOTION 执行系统规定了SIMOTION系统中的程序是如何被执行的。

1.1 任务执行等级
任务执行等级定义了执行系统中的程序执行的时间顺序，每个执行等级包含一个或几个任务（Task）。执行等级包括：
● 同步执行等级（Synchronous execution levels）：与控制或者插补时钟周期同步
● 时间驱动的执行等级（Time-driven execution levels）：时间触发任务
● 事件驱动的执行等级（Event-driven execution levels）：事件触发任务
● 中断控制的执行等级（Interrupt-controlled execution levels）：中断触发任务
● 顺序执行等级（Sequential execution levels）： 顺序执行的任务
● 自由运行执行等级（Free-running execution levels）：自由循环执行的任务

1.2 任务（Task）
每个执行等级包括一个或多个任务（Task）。每个任务在满足一定的条件时执行。用户可以指定多个程序到某个任务，还可以调整程序在任务中的执行顺序。
除了用户程序任务外，还有系统任务，系统任务的执行内容和执行顺序不可改变。
SIMOTION的任务包括：
   ● 系统任务（ System tasks ）
   – 通讯
PROFIBUS, PROFINET IO 网络的连接及IO处理。非周期通讯，trace等。
   – 运动控制
包括IPO/IPO_2, position control (servo)，当使用工艺包时，系统自动分配执行系统。用户 程序不会影响工艺程序的执行。
   – 温度控制程序
   ● 用户程序任务 (user program tasks)
在用户程序任务中可以执行运动控制, 逻辑和工艺函数等。用户程序任务包括：

1.2.1 StartupTask
当SIMOTION运行模式从STOP或STOPU到RUN时触发。用于变量的初始化和工艺对象的复位。在这个任务中，由于工艺对象正在初始化，不能执行运动控制命令。当此任务执行时，除了SystemInterruptTask 其他的程序都不执行。
此任务结束，达到RUN模式后，启动下面的任务：

- SynchronousTasks- TimerInterruptTasks- MotionTasks- BackgroundTask

1.2.2 自由运行任务
自由运行任务在自由执行等级中执行, 包括 MotionTasks 和 BackgroundTask 。
   - MotionTasks
MotionTasks用于执行顺序执行的命令，例如运动控制的命令等。共有32个MotionTasks(MotionTask_1 到 MotionTask_32)。MotionTasks通常通过用户程序的任务控制命令例如_startTaskID，_stopTaskID来启动或停止任务。也可以通过设置使之在达到RUN模式时自动启动。还可以通过_getStateOfTaskID命令查询任务的状态。
MotionTasks只执行一次，没有事件监控，也就是说MotionTasks中的程序可以无限期的执行。
MotionTasks在执行完或者是系统达到STOP 或 STOPU模式时停止。如果有等待命令（Wait for condition /WAITFORCONDITION），任务将被挂起，设置的条件在IPO周期内被检查，当条件满足时任务被继续。WAITFORCONDITION 和 ENDWAITFORCONDITION之间的程序有更高的优先级(在 SystemInterruptTasks 和TimerInterruptTasks之间)。
   - BackgroundTask
BackgroundTask用于非固定周期的循环程序的执行。Start-up任务后开始执行，在程序结束时自动重新执行。适于执行后台程序或逻辑处理程序等。
BackgroundTask的循环时间被监控，一旦超时，TimeFaultBackgroundTask被触发，如果此任务中没有分配程序则会造成CPU进入STOP模式。

1.2.3 时间驱动任务TimerInterruptTasks
   - TimerInterruptTasks
用于执行有固定循环周期的任务。在程序执行结束后自动重新执行。
TimerInterruptTasks用于周期性程序的执行。有5个TimerInterruptTasks，TimerInterruptTask_1 到 TimerInterruptTask_5。
TimerInterruptTasks在固定的周期内被循环触发，这个周期要设为插补周期的倍数。
在此任务中可以实现闭环控制或者监控功能程序。

1.2.4 同步任务SynchronousTasks
   SynchronousTasks与指定的系统时钟同步。
包括下列的同步任务：
   - ServoSynchronousTask (软件版本4.0以上)：与伺服周期同步，在此任务中可以运行对时间有严格要求的任务。例如对I/O的快速响应程序，PROFIBUS DP通讯数据的同步处理，伺服层面的设定值的修改。
   - IPOSynchronousTask/IPOSynchronousTask_2：与IPO周期同步
在IPOSynchronousTask中，可以实现对时间有严格要求的功能，用户程序在插补之前运行。在此任务中可以执行一些对TO的操作。

1.2.5 事件驱动任务
当一个事件发生时，启动此类任务，执行一次后停止。
- SystemInterruptTasks
当一个系统事件发生时，SystemInterruptTasks被调用。
有下面的SystemInterruptTasks ：
● TimeFaultTask：TimerInterruptTask 超时时执行
● TimeFaultBackgroundTask：BackgroundTask 超时时执行
● TechnologicalFaultTask：TO发生故障时执行
● PeripheralFaultTask：发生 I/O错误时执行
● ExecutionFaultTask：执行程序错误时执行
如果SystemInterruptTasks被触发，如果没有分配程序会造成CPU停机。
最多可以有8个不同的中断被缓存，如果此时有另一个中断发生，缓存会溢出CPU停机。触发SystemInterruptTasks的事件可以由TaskStartInfo来查询。
启动ExecutionFaultTask的程序执行错误包括：
● 浮点数的错误操作，例如对负数取对数，错误数据格式等
● 除0
● 数组超限
● 访问系统变量错误
发生错误的任务将会被停止。
对于下面的任务发生了错误可以在ExecutionFaultTask中用命令重新启动：
● StartupTask
● ShutdownTask
● MotionTasks
对于下面的任务发生了错误，在ExecutionFaultTask结束后CPU达到STOP，启动ShutdownTask ：
● BackgroundTask
● TimerInterruptTasks
● SynchronousTasks
ExecutionFaultTask 和 ShutdownTask中的编程错误会立即导致系统停机。
- UserInterruptTasks
当一个用户自定义事件发生时，UserInterruptTasks被调用。
有两个用户中断任务：UserInterruptTask_1 和 UserInterruptTask_2。必须指定UserInterruptTask的条件，当条件满足时，UserInterruptTask被执行。如果同时被触发，UserInterruptTask_1 在 UserInterruptTask_2之前被执行。
如果使用UserInterruptTask，那么也必须使用IPOsynchronousTask。因为UserInterruptTask的条件在IPO周期中被检查。
UserInterruptTask在StartupTask 和 ShutDownTask期间不被执行。

1.2.6 ShutdownTask
ShutdownTask 在CPU从RUN模式到STOP或STOPU模式时被执行一次。可以执行例如设置输出点的状态或轴的停止命令等。此任务不会在系统失电时执行。
还需要设置ShutdownTask的监控时间，过了设置的时间后CPU会自动到STOP模式。

1.3 任务的执行
任务在执行等级中的分配如图1。图2 表示了SIMOTION中任务的执行顺序，由上而下。图3 为SIMOTION任务在时间上的分配。

图1 任务在执行等级中的分配

图2 任务的执行顺序

对图2的注释：
DP, Servo 和 IPO 的比例是 1:1:1
蓝/绿：用户程序任务
黄：系统任务
1. DP/PN-ASIC <-> Bus
通讯的芯片和PROFIBUS 或 PROFINET IO进行数据交换。
2 DP/PN-ASIC -> log. addr
IO输入数据从通讯芯片加载。
3. System servo
在伺服时钟周期内进行系统计算（位置控制器等），如果在此周期内程序不能计算完会造成溢出，进入STOP模式，禁止启动，并在诊断缓冲区中记录。只有在重新上电后或下载后才能再次启动。
4. Log. addr. -> DP/PN-ASIC:
I/O 输出写入到通讯芯片
5. UserInterrupt - Check:
检查用户中断程序的条件
6. Wait for condition - Check:
WAITFORCONDITION (等待轴，等待信号等) 命令的条件被检查。
7. System IPO/IPO_2:
IPO中的系统程序（运动控制：定位曲线，同步操作等）
8. MotionTask n:
WAITFORCONDITION等待中的MotionTask 当条件满足时被优先执行(更高的优先级).
9. BackgroundTask:
Background背景数据块 (PI) 在BackgroundTask 开始时和结束后被刷新。如果程序的运行时间比较长，BackgroundTask在运行时可能被高级的任务打断几次。
10. 通讯:
通讯功能 (HMI, PG/PC等)

图3 SIMOTION任务的执行

1 IPO任务中执行的程序比伺服周期时间长，此时，IPO任务被中断然后执行DP通讯和伺服任务。然后IPO任务继续执行。
2 IPO 任务结束后, 执行SystemInterruptTask ，然后执行低优先级的TimerInterruptTask 。
3 UserInterruptTask即使在条件满足的条件下，也是在高优先级的任务结束后执行。
4 自由执行等级任务在剩余的时间执行。

1.4 任务的优先级
如果两个任务的程序在某个时刻同时执行，那么任务的优先级决定了哪个任务先执行。

表1 任务的优先级

任务的优先级不能由用户改变。注意：
1 对于TimerInterruptTasks: 设定的时间越短优先级越高
2 所有的UserInterruptTasks优先级是一样的，按照触发的顺序一一执行。
3 Wait for condition / WAITFORCONDITION命令可以暂时提高MotionTask的优先级。
- 条件的检查优先级与UserInterruptTasks一样。
- 条件满足时，之前被挂起的MotionTask被重新使能
- WAITFORCONDITION 和 ENDWAITFORCONDITION 之间的命令在更高的优先级内执行(SystemInterruptTasks 和 TimerInterruptTasks之间)。

2 执行系统的配置

2.1 分配程序到执行等级和任务中
用户的程序必须分配到执行等级和任务中才能执行。可以分配MCC，ST或者LAD/FBD程序到一个或多个任务中。也可在一个任务中分配多个程序。
分配的程序按照列表中的顺序依次执行，此顺序可以在SCOUT中指定。后面的程序必须在前面的程序结束后才能执行。
可以将一个程序分配到几个任务中，此时他们在不同任务中独立运行。
当分配一个程序时，也就定义了该程序的执行优先级，执行模式是顺序执行还是循环执行以及程序变量的初始化。
分配一个程序到一个或多个任务时应注意：
- 被分配的程序必须被编译过且没有错误
- 在下载程序之前进行分配
- 当一个程序在执行时，有可能被另外一个任务调用。这时系统不能保证数据的一致性。
- 当分配了一个程序到任务后，即使重新编译程序也会保持分配状态。
在Scout项目浏览界面中选择EXECUTION SYSTEM打开任务配置界面。

图4 执行系统任务配置界面

在任务配置的左侧可以看到执行等级树，在每个执行等级下有分配的任务和程序的列表。
给任务分配程序的步骤：

1首先选择要分配程序的任务
2选择Program assignment标签项，在左侧的窗口会列出所有可分配的程序
3在左侧的窗口选择要分配的程序
4选择 ，选定的程序出现在右边的窗口中。
5 在右侧窗口中选中相应的任务，按上下按钮可以调整程序的运行顺序。
6 还可以在Task configuration标签中进行更多的设置，例如
- 程序出错的处理方式
- 周期任务的看门狗时间
- MotionTasks的启动模式等
全部设置完成后，可以建立连接然后下载到目标系统中。

2.2 选择时钟信号源
在SIMOTION 硬件配置时就确定了时钟的信号源。如果SIMOTION的某个接口被设置成了等时同步 DP/PN模式，则时钟周期的设置被用做总线时钟周期。DP/PN的通讯，伺服以及插补周期均与总线时钟周期同步。如果想要等时同步地访问IO变量，必须进行此设置。支持等时同步的驱动设备有：SIMODRIVE 611U, MASTERDRIVES MOTION
CONTROL, SINAMICS。
也可以连接不支持等时同步模式的驱动，例如Micromaster MM4 和 MASTERDRIVES VC。
如果未设置等时同步模式，就可以设置基本的系统时钟。伺服和插补周期与基本的时钟同步。

2.2.1系统时钟周期
一旦选择了时钟周期的源，就可以定义各个同步的周期时间，他们是基本时钟周期的倍数。
● Bus cycle clock (DP cycle clock / PN cycle clock)：系统时钟周期
● Servo cycle clock (position control cycle clock) / T1(DCC) cycle clock
输入输出在此周期内被刷新。包括轴的位置控制以及集中式IO或分布式IO的处理。伺服时钟周期与总线周期的比例可以是1：1 或2：1。
设置此周期时要注意：
- 伺服周期要设置成DP的总线时间，因此所有的DP总线的时钟周期要一致。
- 对于SIMOTION C P D，外部的DP总线周期至少为1ms
- 对于等式同步的PROFINET来说，如果设置的时钟周期比DP的周期短，例如0.5ms，那么伺服周期必须与DP的周期一致（对于SIMOTION D 包括PROFIBUS Integrated）
- 伺服周期与总线周期的比率也要在驱动设置里的应用周期中设置。 此设置对于生命周期的监控是必须的。
● Interpolator cycle clock (IPO cycle clock) / T2(DCC) cycle clock
轴运动是在IPO时钟周期内被计算。IPOSynchronousTask 也是在此周期内执行。IPO 周期与伺服周期的比率可以设置成1:1 到 1:6。
● Interpolator cycle clock 2 (IPO_2 cycle clock) / T3(DCC) cycle clock
IPO_2时钟周期可以运行低优先级的轴。此外IPOSynchronousTask_2 和PWM Task (TControl) 也在此周期内执行。
IPO_2 与 IPO 时钟周期的比率可以设置成 1:2 到 1:64。
● DccAux (DCC) cycle clock
DCCAux 时钟周期与 T3(DCC) 时钟周期的比率可以设置成1:2 到 1:32。
● DCCAux_2(DCC) cycle clock
DCCAux_2时钟周期与DCCAux 时钟周期的比率可以设置成1:2 到 1:32。
● PWM cycle clock: TControl 工艺应用相关的时钟设置

2.2.2 系统时钟周期的设置

图5 系统时钟周期的设置

系统时钟周期的设置步骤：
1 通过菜单 Target system > Expert > Set system cycle clocks...，或者右击 EXECUTION SYSTEM 选择 Expert > Set system cycle clocks 打开设置页面。
2 如果没有设置等时同步模式则可以指定基本的总线时间。
PROFIBUS可能的设置：1.0…8.0
PROFINET可能的设置：
- V4.0开始带PROFINET 的SIMOTION P 和 SIMOTION D: 0.5 ... 4.0 ms
- V4.1 开始带PROFINET 的SIMOTION P: 0.25 ms 到 4 ms。
PROFIBUS 的总线时钟周期 是0.125 ms的倍数， C2xx 是0.25 ms。PROFINET是0.125ms的倍数。
3 设置各个时钟之间的比例关系。
4 如果使用了TCONTROL则需对TCONTROL系统任务以及时钟周期进行设置。

图6 系统时钟设置

2.3 给TO（工艺对象）分配系统时钟周期
可以分配TO的计算周期来改变TO的优先级以及优化系统的性能。一般情况下，可以分配低优先级的工艺对象到IPO2，例如外部编码器。分配IPO或伺服时钟周期到高优先级的TO。可以设置的时钟周期如下表。

表2 工艺对象可以分配的系统时钟周期

2.4 任务运行时间
可以用任务运行时间检查系统的性能是否可以满足要求。在设备的变量Taskruntime 和 effectiveTaskruntime中可以查看任务的运行时间。Taskruntime是指任务运行的时间（不包括中断的时间），effectiveTaskruntime显示实际执行等级的执行时间，从执行等级开始到最后的任务结束所需的时间。如图所示：

图7 任务的运行时间

图中：
Servo: 伺服循环周期
IS1: IPOSynchronousTask
IS2: IPOSynchronousTask_2
IPO1: IPOTask
IPO2: IPOTask2
系统运行时可能会发生超时或溢出。可以用SCOUT的诊断功能来监控程序的运行。

2.5 自由执行任务的时间分配
除了高优先级的用户和系统任务外剩余的时间是留给MotionTasks 和BackgroundTask的。在自由执行任务级别自由的顺序执行这些任务。由于是循环执行，因此执行时起始顺序是不确定的。在此循环中一个任务可以在指定的时间内连续执行，然后转到下一个任务，如果任务执行结束就会直接转到下一个任务，如图8所示。可以通过设置来决定MotionTasks 和BackgroundTask在自由执行任务级别中执行时间的分配。

图8 自由时间分配

2.5.1 自由执行任务等级的时间分配
1. 在任务分配窗口中选择MotionTask或BackgroundTask ，选择任务配置标签。
2. 点击时间分配按钮 Time allocation.
3. 在打开的窗口中用滑动条设置BackgroundTask的时间分配。
4. 点击OK确定。

图9 时间分配

2.5.2 举例说明
通过两个例子说明自由执行等级时间的设置。

1.如果设置BackgroundTask的运行时间为1个伺服周期如下图所示。在此设置下，BackgroundTask执行一个伺服周期，然后运行所有的MotionTask，但每个MotionTask最多运行2个伺服周期。然后BackgroundTask再执行一个伺服周期。

例如有两个MotionTask的情况下，自由执行等级的执行情况。

2. 如果设置BackgroundTask的运行时间为20个伺服周期如下图所示。在此设置下，BackgroundTask执行20个伺服周期，然后运行所有的MotionTask，但每个MotionTask最多运行2个伺服周期。然后BackgroundTask再执行20个伺服周期。

关键词
SIMOTION, 执行系统, 执行等级, 系统时钟

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